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基于虚拟同步机的新能源主动支撑关键技术与应用构建以新能源为主体的新型电力系统，全面支撑碳达峰、碳中和目标实现，是对能源行业的一场全局性变革。新型电力系统中新能源既是装机主体、电力与电量供应主体，也是可靠供电的责任主体。而与煤电等常规同步机组不同，此前新能源机组尚不具备主动支撑电力系统频率和电压的能力，导致高比例新能源电力系统调节能力不断下降。因此，对新能源机组进行革命性的技术升级，是构建以新能源为主体的新型电力系统的基础性课题。

一、背景

虚拟同步机技术可实现新能源设备“类同步机化”运行，是使设备融入电力系统交流同步机制、实现新能源主动支撑电网运行的重要途径。常规的虚拟同步机研究多侧重于模拟同步机外特性，在新型电力系统中全面应用尚面临以下难题：①内在原理上，传统外特性模拟方法难以反映同步机的电压源本质特征，无法自主运行；②核心功能上，电网运行工况复杂、风光能量供给随机性强，现有技术难以有效实现对电网频率和电压的主动支撑；③装备研发上，大容量虚拟同步机拓扑设计难题尚未突破，装备尚属空白；④组网运行上，多机并联和大系统功能验证技术缺失，无规模化工程应用先例。

二、应用案例

1.项目概述

项目中虚拟同步机技术在我国率先从理论到规模化应用的闭环，使风/光新能源由补充性电源向主力电源转变的基础性技术，代表了新能源并网技术的发展方向。项目研制的2MW风电、500kW光伏和5MW储能虚拟同步机容量为世界之最，建成了世界首个百MW级虚拟同步机示范工程。成果在虚拟同步机基础理论与关键技术等方面创新，带动了相关产业发展，推动了行业技术进步。成果在河北省17座风电场的240万千瓦新能源机组应用，使河北新能源汇集地区输电能力提升4.8%，近三年累计提升新能源发电量10058万千瓦时，减少碳排放约8.1万吨，节约标准煤约3.1万吨，有力保障冬奥会、雄安新区100%清洁能源供电。研发的虚拟同步机系列产品已销往美国、阿根廷等海外市场，具备国际竞争力。

2.主要效益

（1）成果应用于国电南瑞科技股份有限公司的5MW风机、500kW光伏和5MW储能虚拟同步机产品中，凭借虚拟同步机技术优势，获得河北、新疆、西藏等10余省50多个新能源电站，近三年新增销售收入103949.85万元，新增利润23998.41万元。

（2）成果应用于新疆金风科技股份有限公司的能量管理平台控制系统中，该系统被销往包括河北、辽宁、青海等20余个省（区）的200多个风电场中，近三年新增直接销售收入15885万元，新增利润5368万元。

（3）成果应用于国网新源张家口风光储示范电站有限公司，成果应用后，河北省新能源汇集地区输电能力提升了4.8%，2018年、2019年和2020年各减少风光储电站弃风弃光电量3040万kWh、3440万kWh、3578万kWh，根据上网电价0.578元/kWh计算，近三年增加发电收入5814.86万元，新增利润5147.03万元。

（4）成果应用在国网新源张北风光储输示范电站、湖北广水武胜关48MW风电场工程、三门峡狮子坪风电项目、新疆国源天立木垒老君庙风电场一期49.5MW风电项目等多个新能源发电场景。近三年新增销售额39273.13万元，新增利润4712.77万元。

三、技术要点

1、建立了电压源型虚拟同步机的“基本原理-数学模型-支撑机理”理论体系。提出了可完整反映定转子间电磁关系的电力电子装备自同步并网运行机制，建立了虚拟同步机高阶数学模型，揭示了虚拟同步机支撑电网频率的动力学作用机理，从内在原理上实现了新能源机组“类同步机化”，为虚拟同步机装备研制和工程应用奠定了理论基础。

2、突破了虚拟同步机主动支撑关键技术。提出了自适应惯量支撑与一次调频协同控制策略、适应三相电压不平衡等复杂工况下的无功电压支撑控制策略、考虑暂态稳定运行边界约束的阻尼优化控制策略，从有功支撑持续性、复杂工况适应性和并网运行稳定性三个维度，实现了新能源机组核心功能的“类同步机化”。

3、攻克了大容量虚拟同步机装备集成技术难题，成功研制出2MW 单元式风电、500kW单元式光伏和5MW×20min 电站式储能三大类虚拟同步机系列成套设备。

4、攻克了虚拟同步机组网运行技术。发明了虚拟同步机异构机群协调运行技术，提出了基于虚拟同步机的新能源电站自启动技术，建立了“控制器-单机-电站-系统”多维互补的试验检测手段。

四、应用前景

项目研发的虚拟同步机设备拓扑结构和关键控制技术等方面的创新成果，已应用于南瑞、金风、许继等十余个新能源设备制造商的硬件设备或控制系统中，实现了新能源机组的主动调频和调压功能，大幅提升了新能源机组的并网友好性与国际竞争力。依托项目成果所研发的虚拟同步机系列产品已销往美国、阿根廷、澳大利亚等海外市场，提升了我国新能源自主创新能力和产品国际竞争力，推动了世界范围内新能源友好并网的技术进步。